EP3548253B1 - Verfahren zur herstellung eines polymeren profils mittels chemischer vernetzung - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a polymer profile by means of chemical crosslinking with the features of the preamble of claim 1.
- the polymer profile can in particular be an elongated geometry such as can be produced continuously in an extrusion process.
- additives are, in particular, crosslinking initiators which are essential for the chemical crosslinking mentioned at the outset.
- the invention relates to a method for producing an extruded, tubular polyethylene (PE) plastic profile by means of peroxidic crosslinking of the polyethylene.
- PE-Xa pipes are very widespread in the prior art and are used, for example, as a transport line for heating and / or drinking water in buildings or also for transporting district heating.
- the PE-Xa pipes are chemically crosslinked by adding peroxides to the polyethylene material and with the aid of thermal radiation in the visible and infrared range, so-called infrared radiators.
- the physicochemical properties of the polyethylene are modified due to the crosslinking.
- the chemical crosslinking improves the thermal load-bearing capacity of the polyethylene pipes so that they are suitable for hot water applications. This also increases the impact strength and stress cracking resistance of the pipes.
- the heat introduced causes the peroxides to thermally decompose in the crosslinking process, which causes radicals to form.
- These radicals cause a chemical crosslinking of the plastic material (e.g. crosslinking of polyethylene to PE-Xa).
- heating coils surrounded by quartz glass and reflector are often used as a heat source, which, depending on the temperature, emit different amounts of radiation in a wide range of wavelengths.
- the intensity distribution as a function of the wavelength is essentially described by Planck's law of radiation.
- This contactless energy input heats the plastic and chemically cross-links it by means of the radicals that are formed during the thermal decomposition of the added peroxides.
- the disadvantage of this prior art is the high energy consumption due to the non-optimal process management.
- the choice of the correct wavelength range is essential for the result of the crosslinking, since otherwise the energy, for example on the surface of the plastic, will be completely absorbed.
- the outer surface of the pipe can overheat and be damaged, while, on the other hand, the inside of the pipe wall is not completely crosslinked due to insufficient heat input.
- the wavelength is incorrectly selected, it is also possible that the radiation passes the pipe wall unhindered without giving off energy, i.e. the pipe material is transparent with regard to the wavelength introduced.
- a method with the features of the preamble of claim 1 is from WO 97/10936 as well as the DE10 2007 026 751 A1 famous.
- the irradiation of a chemically crosslinked plastic component with laser radiation is possible DE 10 2010 039 238 A1 described.
- the invention is based on the object of specifying a method with the features described at the outset which enables an inexpensive and at the same time homogeneous crosslinking process without thermal damage to the plastic material.
- this object is achieved by the features of claim 1.
- a laser with a wavelength in a precisely defined range makes it possible to overcome the disadvantages which have existed in the prior art for decades in the production of corresponding profiles, in particular cross-linked polyethylene (PE-X) pipes.
- PE-X polyethylene
- a diode laser is expediently used as the laser.
- the plastic material can be activated in a very targeted manner, so that this material is heated evenly over the cross-section and thus the additives thermally decompose to form radicals evenly. The result is a homogeneous, uniform cross-linking of the plastic profile over the entire cross-section, without thermal damage due to a locally excessive energy input, in particular on the outer surface.
- the teaching according to the invention goes hand in hand with the knowledge that the optical properties of plastics are strongly dependent on the wavelength.
- the electromagnetic radiation is absorbed, reflected or scattered to a greater or lesser extent and therefore penetrates the plastics to different depths.
- a very narrow wavelength range can be selected by using a laser as a heat source, so that a very controlled heating of the plastic profile and thus ultimately a uniform chemical crosslinking of the profile over the entire cross section can be guaranteed.
- the laser is also characterized by a low divergence of the radiation, so that it can be steered spatially very well.
- an infrared laser with a wavelength in the range from 780 nm to 1 mm, preferably 780 nm to 20 ⁇ m, in particular 780 nm to 1 ⁇ m, is used as the laser.
- Infrared lasers are characterized by a very long service life and high power density, which distinguishes them from conventional infrared emitters. In addition, they do not have a noticeable drop in performance over the course of their life.
- the wavelength does not shift when the power changes, but remains constant.
- the power is reduced, the power maximum migrates to longer wavelengths.
- the plastic profile is extruded and designed as a hollow profile, for example as a tube.
- Peroxides in particular can be used as additives. However, the use of other additives in addition to or instead of peroxides is also within the scope of the invention.
- azo compounds for example azobisisobutyronitrile, can be used as additives.
- peroxides for example, dibenzoyl peroxide, dicumyl peroxide and peroxides which have a tertiary butyl peroxy group such as hexanes, cyclohexanes, hexines, valerates, hexanoates, benzoates and carbonates can be used.
- the plastic material to which the additives are added expediently contains polyethylene, the plastic material in particular consisting of polyethylene.
- the polymer profile is expediently completely heated to a temperature of at least 140 ° C., preferably at least 200 ° C., by means of the laser. It is also within the scope of the invention, in particular, to heat the polymer profile completely to a temperature of at least 210 ° C., preferably at least 220 ° C., by means of the laser. In this context, complete means in particular that a corresponding heating takes place over the entire cross section of the profile, in particular also on its inside facing away from the laser source. This ensures complete thermal decomposition of the additives to the radicals. It is within the scope of the invention that the plastic profile is guided past the stationary laser by continuous advance, which is particularly useful when the plastic profile is manufactured by means of an extrusion process.
- laser pigments are added to the plastic material which have a noticeable absorption in the wavelength range emitted by the laser, specifically in the form of laser pigments which absorb infrared (IR) radiation.
- These laser pigments can, for example, consist of carbon black (for example industrial carbon black) and / or antimony tin oxide and / or indium tin oxide and / or indium oxide and / or antimony trioxide and / or antimony oxide coated mica pigments and / or antimony tin oxide coated mica pigments and / or tin oxide-coated mica pigments and / or copper hydroxide phosphate and / or nickel dithiolene complexes and / or lanthanum hexaboride and / or quaterrylene complexes.
- the laser radiation absorption within the plastic material can be increased in a targeted manner. This prevents the laser light from shining through the plastic material, that is to say the plastic material does not behave transparently.
- the weight concentration of these laser pigments in the plastic outer layer can be less than 50%, for example less than 20%, in particular less than 10%, preferably less than 5% of the laser pigment weight concentration in the plastic material of the plastic profile.
- the values given above apply accordingly to the IR laser pigment weight concentrations in the outer layer or in the profile.
- the plastic outer layer is free of laser pigments adapted to the laser radiation, that is to say, when using an IR laser, is free of laser pigments that absorb IR radiation.
- the plastic outer layer expediently consists of the same polymeric material as the plastic profile, in particular polyethylene.
- crosslinking additives are also added to the plastic material of the plastic outer layer, in particular the same as the plastic material of the plastic profile.
- the measure described above makes it possible to prevent the overheating of the outer surface of the plastic profile, which is frequently observed in the prior art, with a simultaneous insufficient degree of crosslinking in the inner area of the profile facing away from the heat source. If, for example - as already explained - a preferred embodiment of the invention involves the production of an extruded plastic pipe, the measure described prevents the outer plastic layer of the pipe from overheating due to its reduced laser pigment concentration and prevents heat from entering the inner wall area relocated with a higher pigment concentration, which in the prior art often suffers from an insufficient degree of crosslinking.
- At least one further plastic intermediate layer is provided between the plastic outer layer and the plastic profile, the weight concentration of the laser pigments in this intermediate layer expediently is lower than in the plastic profile and higher than in the plastic outer layer.
- the at least one plastic intermediate layer expediently consists of the same polymeric material as the plastic profile, in particular polyethylene.
- Crosslinking additives are preferably also added to the plastic material of the plastic intermediate layer, in particular the same as the plastic material of the plastic profile. If two or more plastic intermediate layers are provided, it has proven to be useful if the weight concentration of the laser pigments continues from the innermost layer, i.e. starting with the plastic profile over the at least two plastic intermediate layers to the plastic outer layer in the individual layers decreases.
- the polymer profile produced with the method described above can be used in the form of a pipe, for example PE-X pipe, which is used in particular as a transport line for heating and / or drinking water or also for transporting district heating.
- a pipe for example PE-X pipe, which is used in particular as a transport line for heating and / or drinking water or also for transporting district heating.
- the Fig. 1 shows a method for producing a polymer profile 1 by means of chemical crosslinking.
- a plastic profile 3 is manufactured from plastic material K in an extruder 2, additives 4 being added to the plastic material K (see FIG. Fig. 3 ).
- the plastic profile 3 is a closed hollow profile in the form of a tube.
- the plastic profile 3 is heated by means of a heat source 5.
- the additives 4 added to the plastic material K are thermally decomposed and decompose into radicals. These radicals cause chemical crosslinking of the plastic material K.
- peroxides are used as additives and polyethylene as the plastic material K.
- the heat input from the heat source 5 results in the desired peroxidic crosslinking of the polyethylene K to form PE-Xa. Up to this point, the procedure explained corresponds to the state of the art.
- a laser is now used as the heat source 5, this being designed as an infrared diode laser with a wavelength of 980 nm in the exemplary embodiment.
- the polymer profile 1 is completely, ie heated over its entire cross section to a temperature of approx. 230 ° C., so that complete thermal decomposition of the peroxides 4 is ensured.
- the plastic profile 3 is continuously moved past the stationary laser 5 due to the extrusion feed V.
- laser pigments 6 which absorb IR radiation, e.g. in the form of carbon black with a carbon content of 80-99.5% by weight, are added to the plastic material K in the exemplary embodiment (see Fig. Fig. 3 ).
- the plastic profile 3 is provided with a plastic outer layer 7, the plastic outer layer 7 being free from laser pigments 6 which absorb IR radiation (see Fig. Fig. 4 ).
- the plastic outer layer 7 is coextruded with the plastic profile 3, so that two material flows, one for the plastic material K of the plastic profile 3 and one for the polymer material K ′ of the plastic outer layer 7, enter the extruder 2.
- the Fig. 4 shows this according to the method in Fig. 2 produced polymer extrusion profile 1 in cross section with the thicker plastic profile 3 inside and the thinner plastic outer layer 7. It can be seen that both the additives 4 and the IR radiation absorbing laser pigments 6 are added to the plastic material K of the plastic profile 3. On the other hand, only the additives 4, also in the form of peroxides, but no laser pigments 6 are added to the polymer material K 'of the plastic outer layer 7, which is also made of polyethylene. This brings about a preferred heating of the plastic profile 3 forming the inner layer, so that it is completely crosslinked . the Outer layer 7, on the other hand, is not heated too much by the introduction of heat and therefore does not suffer any thermal damage.
- Fig. 5 is compared to the embodiment according to Fig. 4
- An additional plastic intermediate layer 8 is provided between the plastic outer layer 7 and the plastic profile 3.
- Laser pigments 6 are also present in this plastic intermediate layer 8, but the weight concentration of the laser pigments 6 in this intermediate layer 7, which is also formed from polyethylene material K ′′ and peroxidic additives 4, is only half as high as in the plastic profile 3.
- the polymeric profiles 1 shown in the exemplary embodiments are used, for example, as pipes for heating and / or drinking water applications or alternatively as a transport line for district heating.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren Profils mittels chemischer Vernetzung mit dem Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
- Bei dem polymeren Profil kann es sich insbesondere um eine langgestreckte Geometrie handeln, wie sie in einem Extrusionsverfahren kontinuierlich hergestellt werden kann. Additive im Sinne der Erfindung sind insbesondere Vernetzungsinitiatoren, die für die eingangs genannte chemische Vernetzung wesentlich sind.
- Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten, rohrförmigen Polyethlyen(PE)-Kunststoffprofils im Wege einer peroxidischen Vernetzung des Polyethylens. Derartige PE-Xa-Rohre sind im Stand der Technik sehr verbreitet im Einsatz und werden beispielsweise als Transportleitung für Heizungs- und / oder Trinkwasser in Gebäuden oder aber auch zum Transport von Fernwärme eingesetzt. Im Stand der Technik werden die PE-Xa-Rohre durch Zugabe von Peroxiden in das Polyethylen-Material und mithilfe von Wärmestrahlung im sichtbaren und infraroten Bereich, so genannten Infrarotstrahlern, chemisch vernetzt. Hierbei werden die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Polyethylens aufgrund der Vernetzung modifiziert. Insbesondere wird durch die chemische Vernetzung die thermische Belastbarkeit der Polyethylen-Rohre verbessert, so dass diese für Heißwasser-Anwendungen geeignet sind. Ferner wird hierdurch auch die Schlagzähigkeit und Spannungsrissbeständigkeit der Rohre erhöht.
- Durch die eingebrachte Wärme werden im Vernetzungsprozess die Peroxide zu einem thermischen Zerfall gebracht, wodurch sich Radikale bilden. Diese Radikale bewirken eine chemische Vernetzung des Kunststoffmaterials (z.B. Vernetzung von Polyethylen zu PE-Xa). Als Wärmequelle werden im Stand der Technik häufig mit Quarzglas und Reflektor umgebene Heizwendeln verwendet, die in Abhängigkeit der Temperatur unterschiedlich viel Strahlung in einem weiten Wellenlängenbereich emittieren. Die Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge wird im Wesentlichen durch das Plancksche Strahlungsgesetz beschrieben. Durch diesen kontaktlosen Energieeintrag wird der Kunststoff erwärmt und mittels der beim thermischen Zerfall der zugesetzten Peroxide entstehenden Radikale chemisch vernetzt. Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist der hohe Energieverbrauch aufgrund nicht optimaler Prozessführung. Essentiell für das Ergebnis der Vernetzung ist die Wahl des richtigen Wellenlängenbereiches, da ansonsten die Energie z.B. an der Oberfläche des Kunststoffs vollständig absorbiert wird. Dadurch kann einerseits die Außenoberfläche des Rohres überhitzen und geschädigt werden, während andererseits die Rohrwandinnenseite aufgrund eines zu geringen Wärmeeintrags nicht vollständig vernetzt wird. Andererseits ist es bei einer falsch gewählten Wellenlänge auch möglich, dass die Strahlung ohne Energieabgabe die Rohrwand ungehindert passiert, das Rohrmaterial also transparent in Bezug auf die eingebrachte Wellenlänge ist. Insgesamt wird aufgrund der im Stand der Technik erfolgenden Bestrahlung des Kunststoffs in einem leistungsabhängigen weiten Wellenlängenbereich regelmäßig ein vergleichsweise großer Anteil der Strahlung nicht absorbiert und somit in Form von Verlustwärme an die Umgebung abgegeben. Neben dem hohen Energieverlust resultiert hieraus der zusätzliche Nachteil, dass die Umgebung (Luft, Metall etc.) aktiv gekühlt werden muss. Eine optimale Prozessführung ist folglich im Stand der Technik nicht möglich.
- Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
WO 97/10936 DE10 2007 026 751 A1 bekannt. Die Bestrahlung eines chemisch zu vernetzenden Kunststoffbauteils mit Laserstrahlung ist in derDE 10 2010 039 238 A1 beschrieben. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, das einen kostengünstigen und gleichzeitig homogenen Vernetzungsvorgang ohne thermische Schädigung des Kunststoffmaterials ermöglicht.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Überraschenderweise gelingt es durch die Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge in einem genau definierten Bereich die im Stand der Technik seit Jahrzehnten bestehenden Nachteile bei der Herstellung entsprechender Profile, insbesondere vernetzten Polyethylen(PE-X)-Rohren, zu überwinden. Im Stand der Technik wurden Laser in Fertigungsverfahren bislang primär zum Verschweißen oder auch Zerschneiden von Gegenständen eingesetzt. Zweckmäßigerweise wird als Laser ein Dioden-Laser verwendet. Aufgrund der definierten Wellenlänge des Lasers kann eine ganz gezielte Aktivierung des Kunststoffmaterials erfolgen, so dass eine über den Querschnitt gleichmäßige Erwärmung dieses Materials und damit ein gleichmäßiger thermischer Zerfall der Additive zu Radikalen ermöglicht wird. Das Ergebnis ist eine homogene, über den gesamten Querschnitt gleichmäßige Vernetzung des Kunststoffprofils, ohne dass es zu einer thermischen Schädigung aufgrund eines lokal zu starken Energieeintrags, insbesondere an der äußeren Oberfläche, kommt.
- Die erfindungsgemäße Lehre geht einher mit der Erkenntnis, dass die optischen Eigenschaften von Kunststoffen stark wellenlängenabhängig sind. Abhängig von der Wellenlänge der Strahlungsquelle wird die elektromagnetische Strahlung mehr oder weniger stark absorbiert, reflektiert oder gestreut und dringt daher unterschiedlich tief in die Kunststoffe ein. Abhängig von dem zu vernetzenden Material und der Materialdicke kann durch die Verwendung eines Lasers als Wärmequelle ein sehr enger Wellenlängenbereich ausgewählt, damit eine sehr kontrollierte Erwärmung des Kunststoffprofils und hierdurch letztendlich eine gleichmäßige chemische Vernetzung des Profils über den gesamten Querschnitt gewährleistet werden. Der Laser zeichnet sich außerdem durch eine geringe Divergenz der Strahlung aus, so dass diese räumlich sehr gut gelenkt werden kann.
- Erfindungsgemäß wird als Laser ein Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1 mm, vorzugsweise 780 nm bis 20 µm, insbesondere 780 nm bis 1 µm, verwendet. Infrarotlaser zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer und hohe Leistungsdichte aus, was sie von herkömmlichen Infrarotstrahlern unterscheidet. Darüber hinaus haben sie keinen merklichen Abfall der Leistung im Verlauf ihrer Lebensdauer. Auch verschiebt sich beim Laser die Wellenlänge nicht bei Änderung der Leistung, sondern bleibt konstant. Bei den im Stand der Technik eingesetzten üblichen IR-Strahlern wandert hingegen bei Reduzierung der Leistung das Leistungsmaximum hin zu größeren Wellenlängen.
- Das Kunststoffprofil wird extrudiert und hierbei als Hohlprofil, z.B. als Rohr, ausgebildet. Als Additive können insbesondere Peroxide verwendet werden. Die Verwendung anderer Additive neben oder anstelle von Peroxiden liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung. So können beispielsweise als Additive Azoverbindungen, beispielsweise Azobisisobutyronitril verwendet werden. Als Peroxide können beispielsweise eingesetzt werden Dibenzoylperoxid, Dicumylperoxid und Peroxide, welche eine Tertiär-Butyl-Peroxy-Gruppe aufweisen wie Hexane, Cyclohexane, Hexine, Valerate, Hexanoate, Benzoate und Carbonate. Besonders geeignet sind in diesem Zusammenhang Dialkylperoxide, Peroxyester, Diacylperoxide, Hydroperoxide, Peroxydicarbonate, Peroxyketale und zyklische Peroxide. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass als Additive zwei oder mehr der vorgenannten Substanzen in beliebiger Kombination gemeinsam verwendet werden. Das Kunststoffmaterial, dem die Additive zugesetzt sind, enthält zweckmäßigerweise Polyethylen, wobei das Kunststoffmaterial insbesondere aus Polyethylen besteht.
- Zweckmäßigerweise wird das polymere Profil mittels des Lasers vollständig auf eine Temperatur von mindestens 140 °C, vorzugsweise mindestens 200 °C erwärmt. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere auch, das polymere Profil mittels des Lasers vollständig auf eine Temperatur von mindestens 210 °C, vorzugsweise mindestens 220 °C zu erwärmen. Vollständig meint in diesem Zusammenhang insbesondere, dass eine entsprechende Erwärmung über den gesamten Querschnitt des Profils hinweg erfolgt, insbesondere also auch an dessen der Laserquelle abgewandten Innenseite. Hierdurch wird eine vollständige thermische Zersetzung der Additive zu den Radikalen sichergestellt. Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass das Kunststoffprofil durch kontinuierlichen Vorschub am ortsfesten Laser vorbeigeführt wird, was insbesondere bei einer Herstellung des Kunststoff-Profils im Wege eines Extrusionsverfahrens zweckmäßig ist.
- Erfindungsgemäß werden dem Kunststoffmaterial neben den Additiven Laserpigmente zugesetzt, die eine merkliche Absorption in dem vom Laser ausgestrahlten Wellenlängenbereich aufweisen, und zwar in Form von Infrarot(IR)-Strahlung absorbierende Laserpigmenten. Dies Laserpigmente können beispielsweise aus Ruß (z.B. Industrieruß) und/oder Antimon-Zinn-Oxid und/oder Indium-Zinn-Oxid und/oder Indiumoxid und/oder Antimontrioxid und/oder Antimonoxid beschichtete Glimmerpigmenten und/oder Antimon-Zinn-Oxid beschichtete Glimmerpigmenten und/oder Zinnoxid beschichtete Glimmerpigmenten und/oder Kupferhydroxidphosphat und/oder Nickeldithiolen Komplexen und/oder Lanthanhexaborid und/oder Quaterrylen Komplexen bestehen. Hierdurch kann die Laserstrahlungsabsorption innerhalb des Kunststoffmaterials gezielt erhöht werden. Eine Durchstrahlung des Laserlichtes durch das Kunststoffmaterial, also ein transparentes Verhalten des Kunststoffmaterials, wird hierdurch verhindert. In diesem Zusammenhang hat es sich insbesondere als zweckmäßig herausgestellt, das Kunststoffprofil mit einer Kunststoff-Außenschicht zu versehen, die eine niedrigere Konzentration an IR-Strahlung absorbierenden Laserpigmenten besitzt als das Kunststoffmaterial. Sofern bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren kein Infrarot-Laser eingesetzt wird, weist die Kunststoff-Außenschicht entsprechend allgemein eine niedrigere Konzentration von an die Laserquelle entsprechend angepassten Laserpigmenten auf als das Kunststoffmaterial. So kann beispielsweise die Gewichtskonzentration dieser Laserpigmente in der Kunststoff-Außenschicht weniger als 50 %, beispielsweise weniger als 20 %, insbesondere weniger als 10 %, vorzugsweise weniger als 5 % der Laserpigment-Gewichtskonzentration im Kunststoffmaterial des Kunststoff-Profils betragen. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung eines IR-Lasers gelten die vorstehend genannten Werteangaben entsprechend für die IR-Laserpigments-Gewichtskonzentrationen in der Außenschicht bzw. im Profil. Im Rahmen der Erfindung liegt es hierbei insbesondere, dass die Kunststoff-Außenschicht frei von an die Laserstrahlung angepassten Laserpigmenten ist, bei Verwendung eines IR-Lasers also frei von IR-Strahlung absorbierenden Laserpigmenten ist. Die Kunststoff-Außenschicht besteht zweckmäßigerweise aus demselben polymeren Material wie das Kunststoffprofil, insbesondere Polyethylen. Vorzugsweise sind auch dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Außenschicht Vernetzungs-Additive zugesetzt, insbesondere dieselben wie dem Kunststoffmaterial des Kunststoffprofils. Insgesamt ist es durch die vorstehend beschriebene Maßnahme möglich, die im Stand der Technik häufig zu beobachtende Überhitzung der äußeren Oberfläche des Kunststoffprofils bei gleichzeitig zu geringem Vernetzungsgrad im der Wärmequelle abgewandten Innenbereich des Profils zu verhindern. Sofern es sich beispielsweise - wie bereits erläutert - im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um die Herstellung eines extrudierten Kunststoff-Rohres handelt, wird durch die beschriebene Maßnahme ein Überhitzen der Kunststoff-Außenschicht des Rohres aufgrund deren reduzierter Laserpigmentkonzentration verhindert und der Wärmeeintrag hin zum Innenwandungsbereich mit höherer Pigmentkonzentration verlagert, welcher im Stand der Technik häufig unter einem zu geringen Vernetzungsgrad leidet. Dadurch kann bei einer entsprechenden Abstimmung der Schichtdicken von Kunststoff-Außenschicht und Kunststoffprofil zueinander sowie einer geeigneten Bemessung der Konzentration an Laserpigmenten eine über den gesamten Rohrquerschnitt gleichmäßige Erwärmung und damit einhergehend ein homogener Zerfall der Additive und hierdurch letztendlich eine gleichmäßige Vernetzung des Kunststoffprofis über den gesamten Querschnitt erzielt werden. Grundsätzlich hat es sich in diesem Zusammenhang als zweckmäßig erwiesen, die Kunststoff-Außenschicht und das Kunststoffprofil im Wege einer Coextrusion herzustellen. Zweckmäßigerweise ist die Schichtdicke des Kunststoffprofils größer als die Schichtdicke der Kunststoff-Außenschicht.
- Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass zwischen der Kunststoff-Außenschicht und dem Kunststoffprofil mindestens eine weitere Kunststoff-Zwischenschicht vorgesehen sind, wobei die Gewichtskonzentration der Laserpigmente in dieser Zwischenschicht zweckmäßigerweise niedriger als im Kunststoffprofil und höher als in der Kunststoff-Außenschicht ist. Die mindestens eine Kunststoff-Zwischenschicht besteht zweckmäßigerweise aus demselben polymeren Material wie das Kunststoffprofil, insbesondere Polyethylen. Vorzugsweise sind auch dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Zwischenschicht Vernetzungs-Additive zugesetzt, insbesondere dieselben wie dem Kunststoffmaterial des Kunststoffprofils. Sofern zwei oder mehr Kunststoff-Zwischenschichten vorgesehen sind, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Gewichtskonzentration der Laserpigmente von der innersten Schicht, also beginnend mit dem Kunststoffprofil über die mindestens zwei Kunststoff-Zwischenschichten zur Kunststoff-Außenschicht hin in den einzelnen Schichten immer weiter abnimmt.
- Das mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte polymere Profil kann seinen Einsatz finden in Form eines Rohres, beispielsweise PE-X-Rohres, welches insbesondere als Transportleitung für Heizungs- und/oder Trinkwasser oder aber auch zum Transport von Fernwärme verwendet wird.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen schematisch:
- Fig. 1:
- ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines polymeren Profils;
- Fig. 2:
- eine weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines polymeren Profils,
- Fig. 3:
- den Schnitt A-A in
Fig. 1 und - Fig. 4:
- den Schnitt B-B in
Fig. 2 und - Fig. 5:
- eine den
Fig. 3 und 4 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung - Die
Fig. 1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines polymeren Profils 1 mittels chemischer Vernetzung. Zunächst wird in einem Extruder 2 ein Kunststoffprofil 3 aus Kunststoffmaterial K gefertigt, wobei dem Kunststoffmaterial K Additive 4 zugesetzt sind (s.Fig. 3 ). Bei dem Kunststoffprofil 3 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein geschlossenes Hohlprofil in Form eines Rohres. An den Extrusionsprozess anschließend wird das Kunststoffprofil 3 mittels einer Wärmequelle 5 erwärmt. Hierdurch werden die dem Kunststoffmaterial K zugesetzten Additive 4 thermisch zersetzt und zerfallen zu Radikalen. Diese Radikale bewirken eine chemische Vernetzung des Kunststoffmaterials K. Im Ausführungsbeispiel werden als Additive 4 Peroxide eingesetzt und als Kunststoffmaterial K Polyethylen. Durch den Wärmeeintrag der Wärmequelle 5 erfolgt die gewünschte peroxidische Vernetzung des Polyethylens K zu PE-Xa. Bis hierhin entspricht die erläuterte Verfahrensweise dem Stand der Technik. - Erfindungsgemäß wird nun jedoch als Wärmequelle 5 ein Laser verwendet, wobei dieser im Ausführungsbeispiel als Infrarot-Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 980 nm ausgebildet ist. Mittels des Lasers 5 wird das polymere Profil 1 vollständig, d.h. über seinen gesamten Querschnitt hinweg auf eine Temperatur von ca. 230 °C erwärmt, so dass eine vollständige thermische Zersetzung der Peroxide 4 gewährleistet ist. Es ist anhand der
Fig. 1 erkennbar, dass das Kunststoffprofil 3 aufgrund des Extrusionsvorschubs V kontinuierlich am ortsfesten Laser 5 vorbeigeführt wird. Um die Absorption der Laserstrahlung zu verbessern, sind im Ausführungsbeispiel dem Kunststoffmaterial K neben den peroxidischen Additiven 4 zusätzlich IR-Strahlung absorbierende Laserpigmente 6, z.B. in Form von Industrieruß mit einem Kohlenstoffgehalt von 80 - 99,5 Gew.-%, zugesetzt (s.Fig. 3 ). - Beim Ausführungsbeispiel gemäß der
Fig. 2 wird das Kunststoffprofil 3 mit einer Kunststoff-Außenschicht 7 versehen, wobei die Kunststoff-Außenschicht 7 frei von IR-Strahlung absorbierenden Laserpigmenten 6 ist (s.Fig. 4 ). Die Kunststoff-Außenschicht 7 wird mit dem Kunststoffprofil 3 coextrudiert, so dass entsprechend zwei Materialströme, einer für das Kunststoffmaterial K des Kunststoffprofils 3 und einer für das Polymermaterial K' der Kunststoff-Außenschicht 7 in den Extruder 2 einlaufen. - Die
Fig. 4 zeigt das gemäß dem Verfahren inFig. 2 hergestellte polymere Extrusionsprofil 1 im Querschnitt mit dem dickeren Kunststoffprofil 3 im Inneren und der dünneren Kunststoff-Außenschicht 7. Es ist erkennbar, dass dem Kunststoffmaterial K des Kunststoffprofils 3 sowohl die Additive 4 als auch die IR-Strahlung absorbierenden Laserpigmente 6 zugesetzt sind. Dem ebenfalls aus Polyethlyen bestehenden Polymermaterial K' der Kunststoff-Außensicht 7 sind hingegen lediglich die Additive 4, ebenfalls in Form von Peroxiden, zugesetzt jedoch keine Laserpigmente 6. Hierdurch wird eine bevorzugte Erwärmung des die Innenschicht bildenden Kunststoffprofils 3 bewirkt, so dass dieses vollständig vernetzt. Die Außenschicht 7 hingegen wird durch den Wärmeeintrag nicht zu stark erhitzt und erleidet somit keine thermische Schädigung. - In
Fig. 5 ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäßFig. 4 zwischen der Kunststoff-Außenschicht 7 und dem Kunststoffprofil 3 eine zusätzliche Kunststoff-Zwischenschicht 8 vorgesehen. In dieser Kunststoff-Zwischenschicht 8 sind ebenfalls Laserpigmente 6 vorhanden, jedoch ist die Gewichtskonzentration der Laserpigmente 6 in dieser ebenfalls aus Polyethlyenmaterial K" und peroxidischen Additiven 4 gebildeten Zwischenschicht 7 nur halb so hoch wie im Kunststoffprofil 3. - Die in den Ausführungsbeispielen dargestellten polymeren Profile 1 werden beispielsweise als Rohre für Heizungs- und / oder Trinkwasseranwendungen verwendet oder auch alternativ als Transportleitung für Fernwärme. Der in den
Fig. 3 bis 5 dargestellte innere Durchmesser der Kunststoffprofile 1, welcher den freien Strömungsquerschnitt definiert, bewegt sich hierbei im Bereich von di = 8 bis 300 mm, insbesondere 20 bis 100 mm.
Claims (9)
- Verfahren zur Herstellung eines polymeren Profils (1) mittels chemischer Vernetzung,- wobei zunächst ein Kunststoffprofil (3) aus Kunststoffmaterial (K) mit zugesetzten Additiven (4) gefertigt wird,- wobei danach das Kunststoffprofil (3) mittels einer Wärmequelle (5) erwärmt wird und hierdurch die dem Kunststoffmaterial (K) zugesetzten Additive (4) thermisch zu Radikalen zerfallen,- wobei diese Radikale eine chemische Vernetzung des Kunststoffmaterials (K) bewirken, und- wobei das Kunststoffprofil (3) extrudiert und als Hohlprofil, insbesondere als Rohr ausgebildet wird,dadurch gekennzeichnet,
dass als Wärmequelle (5) ein Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1 mm verwendet wird, und dass dem Kunststoffmaterial (K) neben den Additiven (4) an die Laserstrahlung angepasste, IR-Strahlung absorbierende Laserpigmente (6) zugesetzt werden. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Additive (4) Peroxide verwendet werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial (K) Polyethylen enthält, vorzugsweise aus Polyethylen besteht.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Profil (1) mittels des Lasers (5) vollständig auf eine Temperatur von mindestens 140 °C, vorzugsweise mindestens 200 °C, erwärmt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprofil (3) durch kontinuierlichen Vorschub am ortsfesten Laser (5) vorbeigeführt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffprofil (3) mit einer Kunststoff-Außenschicht (7) versehen wird, die eine niedrigere Konzentration von an die Laserstrahlung angepassten Laserpigmenten (6) aufweist als das Kunststoffmaterial (K), insbesondere frei von Laserpigmenten (6) ist.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kunststoff-Außenschicht (7) und dem Kunststoffprofil (3) mindestens eine weitere Kunststoff-Zwischenschicht (8) vorgesehen wird, wobei die Gewichtskonzentration der Laserpigmente in dieser Kunststoff-Zwischenschicht (8) niedriger als im Kunststoffprofil (3) und höher als in der Kunststoff-Außenschicht (7) ist.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Kunststoff-Zwischenschichten vorgesehen werden, wobei die Gewichtskonzentration der Laserpigmente beginnend mit dem Kunststoffprofil (3) über die mindestens zwei Kunststoff-Zwischenschichten (8) zur Kunststoff-Außenschicht (7) hin in den einzelnen Schichten (3, 8, 7) immer weiter abnimmt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoff-Außenschicht (7) mit dem Kunststoffprofil (3) coextrudiert wird.
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